Waterkwaliteit Snel in Beeld
Real time metingen voor waterkwaliteit in opkweek en teelt
Jolijn Bonnet1, Ard Jan Grimbergen1, Jolanda Korteland1, Arie Draaijer3, André van der Wurff2
Rapport nr.2020 - S20180062
1 Stichting Control in Food & Flowers
2 Groen Agro Control
3 Sendot Research
Samenvatting
Door toenemend waterhergebruik in de glastuinbouw is er een steeds grotere behoefte om snel informatie te krijgen over de waterkwaliteit, om in te kunnen grijpen in de water- en nutriëntvoorziening van de planten en de waterzuivering. Dit project richt zich op de ontwikkeling van hierop toegesneden meetmethodes en –concepten, waarmee de waterkwaliteit snel kan worden bijgestuurd. Randvoorwaarde was dat een opstelling
gerealiseerd kon worden met bestaande sensoren en eenvoudig en op relatief korte termijn toe te passen in de praktijk.
Binnen dit onderzoek is hiervoor een eenvoudige mobiele opstelling ontworpen. De sensoren zijn afzonderlijk van elkaar getoetst. Vervolgens is de mobiele opstelling gebouwd en
opnieuw getoetst. De ontworpen BOD (biological oxygen demand) v1 sensor, als schatter voor het aerobe kiemgetal, liet geen betrouwbare resultaten zien. De chlorofyl fluorescentie sensor was zeer gevoelig en de gemeten waarden correleerde goed met de toevoegde hoeveelheid algen. Zelfs bij een drooggewicht van 15 mg/l werd al een significante stijging gemeten. De pH sensor was gevoelig voor reinigingsmiddelen. Tijdens het reinigen moet daarom de pH sensor verwijdert worden. Vervolgens werd een nieuwe BOD v2 sensor ontworpen en gebouwd en opnieuw getoetst. Maar er werd geen relatie gevonden met een concentratie aan bacteriën. Bacteriën hebben invloed op het UV Fluorescentie signaal voor het bepalen van organische stof. Op een praktijklocatie voor opkweek van plantmateriaal zijn tweeënveertig watermonsters geanalyseerd door de mobiele opstelling en door het
laboratorium. De opstelling meet betrouwbaar in de praktijk, afgelezen aan de elektrische geleidbaarheid (EC) en de zuurgraad die zowel in de mobiele opstelling als in het
laboratorium gemeten werden. Redox kan gebruikt worden als een schatter voor het Chemisch Zuurstof Verbruik, voor de aanwezige hoeveelheid bacteriën en daarmee een schatting voor de hoeveelheid Fusarium spp. Deze relatie wordt mogelijk verklaard doordat het redox potentiaal negatief gecorreleerd is aan de zuurgraad. Bacteriën en Fusarium groeien beter bij een lagere zuurgraad. Deze relatie is alleen geldig onder aerobe
omstandigheden met een redox potentiaal tussen 100-350 mV. Hiervan kan de tuinbouw sector leren en de ORP een nieuwe plaats geven binnen het bestaande
meetinstrumentarium. Op de praktijk locaties werd er weinig algen en troebel water
aangetroffen. Verder onderzoek moet daarom uitwijzen of genoemde relaties betrouwbaar in de praktijk gebruikt kunnen worden. Er is een eerste ontwerp gemaakt voor een dashboard voor een schatting van de waterkwaliteit met bijbehorende grenswaarden.
Stichting Control in Food & Flowers Distributieweg 1 2645 EG Delfgauw T: +31(0) 15-2858124 E: info@stfoodandflowers.nl KvK: 61916471
Auteur(s): J. Bonnet, A. Grimbergen, J. Korteland, T Luijendijk, A.W.G. van der Wurff
Projectnummer: 2018 - S20180062
Datum: 17-09-2020
Titel Rapport: Waterkwaliteit Snel in Beeld
Opdrachtgever: Plantum, St. KijK, STOWA 447.027, Groen Agro Control Contactpersoon opdrachtgever: Margreet Schoenmakers (Glastuinbouw Nederland) Kernwoorden: Water, recirculatie, waterkwaliteit, monitoring, real-time.
De Stichting Control in Food & Flowers aanvaardt geen aansprakelijkheid voor eventuele schade voortvloeiend uit het gebruik van de resultaten van dit onderzoek of de toepassing van de adviezen.
2 Resultaten ... 8
2.1 Ontwerp mobiele opstelling ... 8
2.1.1 De Software ... 11
2.1.2 Resultaten losse sensoren ... 14
2.1.2.1 Geleidbaarheid Sensor: ... 14
2.1.2.2 ORP Sensor (Redox): ... 15
2.1.2.3 Troebelheid sensor: ... 15
2.1.2.4 Chlorofyl-Fluorescentie sensor ... 15
2.1.2.5 pH sensor ... 16
2.1.2.6 O2 sensor ... 16
2.1.2.7 UV fluorescentie sensor ... 16
2.1.2.8 O2 sensor voor zuurstofverbruik ... 17
2.1.3 Conclusie en discussie ... 17
2.2 Validatie mobiele opstelling ... 17
2.2.1 Chlorofyl Fluorescentie Meter ... 17
2.2.2 pH sensor ... 18
2.2.3 EC sensor ... 18
2.2.4 Troebelheid sensor ... 19
2.2.5 Zuurstof sensoren ... 20
2.2.6 Conclusies en discussie ... 23
2.3 Proef locatie Opkweek bedrijf ... 25
2.3.1 Materiaal & Methode ... 25
2.3.2 Conclusie en discussie ... 30
2.4 Extra validatie interacties tussen vier sensoren ... 31
2.4.1 Bacteriën ... 31
2.4.2 Bacteriën en algen ... 31
2.4.3 Effect van bacteriën, algen en troebelheid ... 33
2.4.4 Conclusie en discussie ... 34
2.5 Proef locatie praktijkbedrijf Potorchidee ... 35
2.5.1 Aanpak ... 35
2.5.2 Conclusie en discussie ... 36
3 Discussie ... 37
3.1 Functioneren mobiele opstelling ... 37
3.2 Meerwaarde voor de teelt ... 38
3.3 Eerste ontwerp dashboard ... 39
3.4 Praktijk ervaringen ... 39
3.5 Aanbevelingen ... 40
4 Dankwoord ... 42
5 Referenties ... 43
parameters die snel en tegen relatief lage kosten gemeten kunnen worden. In dit project wordt daarom onderzocht of een aantal nieuwe parameters (chlorofyl, UV-fluorescentie, zuurstof, troebelheid, redox, geleidbaarheid) online gemeten kan worden om zo snel een beeld te krijgen van de waterkwaliteit (algen, organische stoffen, microbiologische activiteit, ionenbalans, effectiviteit reiniging).
1.1 Aanleiding, doel en urgentie voor de sector
De glastuinbouw maakt een overgang mee van een doorstroombedrijf (water in, water uit) naar een bedrijfsvoering waarbij het water zo lang mogelijk in de kas wordt gehouden. Dit stelt hogere eisen aan de hoeveelheid waterkwaliteitsinformatie en de snelheid waarmee deze beschikbaar is. Waar vroeger werd volstaan met een eenvoudige meting van de geleidbaarheid van het water, wil men nu meer weten over bepaalde ionen in het water, het organische-stofgehalte en de biologische activiteit van het water. Dit is nodig om te bepalen of de waterkwaliteit nog goed is en of de toegepaste waterzuivering adequaat is.
Waterkwaliteit is momenteel voor tuinders een ‘zwarte doos’: als er al iets gemeten wordt dan is het vaak alleen maar geleidbaarheid. Om beter zicht te krijgen op de waterkwaliteit is er een grote behoefte aan nieuwe methodes om de biologische en chemische waterkwaliteit te kunnen bepalen, om op basis hiervan de waterkwaliteit te kunnen bijsturen. Momenteel is er nog weinig monitoringstechnologie beschikbaar om tegemoet te komen aan deze
behoefte, en als deze al bestaat dan betreft het zeer kostbare technologie of methodes die te langzaam zijn om hier in de praktijk mee te kunnen werken.
1.2 State of the art
Voor een aantal van waterkwaliteit parameters bestaan er sensoren of meetinstrumenten. Zo bestaan er monitoring systemen voor bacteriën zoals de BactControl van microLAN. Dit instrument geeft een bacterie getal elke ca. 60 minuten maar behoeft een zeker mate aan onderhoud en reagentia. Ook de bekende Luciferase/ATP meting is als procesmeting duur en kostbaar in gebruik (Promega-WaterGlo). Er bestaat een instrument dat op basis van een zeer gevoelige brekingsindex meting als een soort early warning systeem afwijkingen in de waterkwaliteit kan meten maar in dit geval kan dat veroorzaakt worden door alle opgeloste componenten (Optisense, Optiqua). Dezelfde firma maakt ook meetsystemen gebaseerd op immuunrespons, die meer specifiek gemaakt kunnen worden bijvoorbeeld voor pesticide en herbicide residuen maar ook die zijn zeer kostbaar vereisen reagentia en hier speelt de vraag of deze methode werkt voor de complexe matrix van tuinbouwwater. Voor bepaling van de biologische waterkwaliteit is tot nu toe gebruik gemaakt van het koloniegetal: dit is een vaak gebruikte kweekmethode waarmee het aantal kolonievormende (=levende) micro- organismen in een bepaald volume water kan worden bepaald. Dit is een zeer robuuste test, die eigenlijk maar een nadeel kent, namelijk de tijd voordat het resultaat kan worden
beoordeeld. Een typische bepaling van het koloniegetal duurt namelijk drie dagen,
afhankelijk van de gebruikte voedingsbodem en incubatietemperatuur. Deze tijd is veel te lang, omdat in deze periode de teler niet weet of zijn desinfectie goed werkt, en mogelijke ziekteverwekkende micro-organismen in deze tijd het gewas verder kunnen aantasten. Dit is een voor de teler onzekere situatie, en daarom wordt het water vaak geloost, waardoor de emissie naar de omgeving juist toeneemt. Indien de teler snel had kunnen vaststellen dat zijn desinfectie installatie goed werkt, dan had hij dit water waarschijnlijk niet geloosd. Hierdoor is het in de praktijk niet goed mogelijk om de waterkwaliteit bij te sturen op het moment dat dat
gebaseerde methodes. Mogelijk kunnen deze methodes ook toegepast worden om de biologische waterkwaliteit te bepalen, waardoor binnen een dag gereageerd kan worden op afwijkingen in de waterkwaliteit.
1.3 Waterkwaliteit en sensoren
Om een uitspraak te kunnen doen over waterkwaliteit, is het van belang om een onderscheid te maken tussen de verschillende aspecten van waterkwaliteit maar ook om te kijken naar waarop de waterkwaliteit van toepassing is. Voor tuinbouwbedrijven zijn de volgende waterkwaliteitsparameters van belang:
• Bacteriën
• Organische stof gehalte
• Zouten (Natrium/Kalium)
• Algen
• Gewasbeschermingsresiduen (wordt niet meegenomen in dit onderzoek)
Normaliter sturen tuinbouwbedrijven hun water samples naar analysebedrijven om deze en nog vele andere waterkwaliteitsparameters te kunnen meten. Daarnaast worden on site al een aantal simpele waterkwaliteitsparameters gemeten zoals EC en pH. Er is echter een behoefte om de genoemde parameters on-site en “real-time” te kunnen meten, om ook de effectiviteit van de waterzuivering te monitoren en sneller in te kunnen grijpen.
Voor een aantal van deze parameters bestaan er al sensoren en meetinstrumenten. Maar veel van deze oplossingen zijn moeilijk, te duur, in een experimenteel stadium en niet stabiel of niet geschikt. Zo bestaan er monitoring systemen voor bacteriën zoals de BactControl van microLAN (>20 kEuro). Dit instrument geeft een bacterie getal elke ca. 60 minuten maar behoeft een zeker mate aan onderhoud en reagentia. Ook de bekende Luciferase/ATP meting is als procesmeting duur en kostbaar in gebruik (Promega-WaterGlo). Er bestaat een instrument dat op basis van een zeer gevoelige brekingsindex meting als een soort early warning systeem afwijkingen in de waterkwaliteit kan meten maar in dit geval kan dat veroorzaakt worden door alle opgeloste componenten (Optisense, Optiqua). Dezelfde firma maakt ook meetsystemen gebaseerd op immuunrespons, die meer specifiek gemaakt kunnen worden bijvoorbeeld voor pesticide en herbicide residuen maar ook die zijn zeer kostbaar vereisen reagentia en hier speelt de vraag of deze methode werkt voor de complexe matrix van tuinbouwwater.
Voorgesteld wordt om een aantal relatief simpele, bestaande meettechnieken te gebruiken om bovengenoemde waterkwaliteitsparameters te meten:
Algen
Met een chlorofyl fluorescentiemeting kan het chlorofyl in het concentratie gebied van <1 µg/l gemeten worden als een maat voor de hoeveelheid algen in het water.
Organische stof
Met UV fluorescentie kan organische belading/humuszuren (na filtratie) gemeten worden.
Met deze techniek kan een ppm gevoeligheid gehaald worden voor humuszuren en werkt op basis van fluorescentie met excitatie bij 370 nm en emissie boven 400 nm.
Bacteriën
Voor deze meting is het enerzijds van belang te weten of het water zoveel organische stof bevat dat er potentieel veel bacteriën kunnen groeien (BZV, biologisch zuurstofverbruik) en anderzijds of er al veel bacteriën in het water zitten (kiemgetal). Voor de bepaling van het kiemgetal, het aantal bacteriën zou het zuurstofverbruik gemeten kunnen worden eventueel na een pre- concentratie stap al dan niet aangevuld met een modus waarbij groeimedium
worden. Hierbij wordt dan het bestaande Fluorescentie platform voorzien van een nieuw te ontwikkelen coating waarin de ion-specifieke kleurstoffen zijn gebonden. Het voordeel van deze aanpak is dat het meetplatform al bestaat.
Redoxpotentiaal (ORP)
Deze sensor zou interessant kunnen zijn om de effectiviteit van reinigingsmethoden met peroxide en ozon in beeld te kunnen brengen. Deze methode om de ontsmetting potentie te meten is meer een window dan een meet methode
Zouten
In eerste instantie kan een te bouwen meetopstelling worden voorzien van een EC meter.
Troebelheid meter
De te bouwen meetopstelling worden voorzien van een Sendot sensor voor het meten van de Troebelheid. Deze maat werkt op basis van verstrooiing. Deze meting is vaak ook aanwezig op de UV ontsmetter. Een extra meting na de ontsmetter of in de tuin kan extra informatie geven over de waterkwaliteit. De sensor meet de verstrooiing van het licht bij 630 nm. Een lichtgeleider met rood licht straalt in de oplossing en een tweede fiber, naast de belichtingsfiber kijkt naar de verstrooiing. Als er geen deeltjes in de oplossing zitten komt er geen licht terug, des te meer deeltjes des te meer licht wordt er verstrooid en des te meer licht wordt er gedetecteerd
Bacteriën
Voor het bepalen van bacteriën wordt voorgesteld een aftakking te maken in een leiding naar keuze en deze te vullen met proceswater, af te sluiten en het zuurstofverbruik (BZV) te meten door middel van optische zuurstof meettechnologie.
Voor de sensoren worden bestaande commerciële sensoren gebruikt. Het prototype wordt ontworpen aan de hand van de technische specificaties van betreffende materialen. Het eerste prototype meetopstelling wordt vervolgens gemaakt met “simpele middelen” om de kostprijs laag te houden, d.i. bestaande PVC waterafvoer materialen. Er wordt getoetst of er geen interactie is tussen de sensoren, de afstanden groot genoeg zijn i.v.m. interferentie en de geschiktheid pomp en kleppen en sluitstukken voldoen. Dit wordt getoetst met standaard water oplossing met nutriënten (pH, EC), organische stof, gewasbeschermingsmiddelen (standaard water, Van Ruijven et al. 2016) en opgekweekt algenmateriaal toegevoegd.
2 Resultaten
2.1 Ontwerp mobiele opstelling
Voor het project snel waterkwaliteit meten wordt een eenvoudige meetopstelling gerealiseerd die autonoom een aantal water kwaliteit gerelateerde parameters kan meten.
De volgende sensoren/systemen zullen worden ingebouwd in dit meetsysteem.
• pH sensor (pH)
• O2/T sensor (O2)
• UV fluorescentie sensor voor troebelheid (UV-F)
• Chlorofyl fluorescentie algensensor (Algen CF)
• Zuurstof verbruik meetsysteem (BOD, stopped flow)
• EC sensor (derden)
• ORP (redox) sensor (derden)
Teneinde een handzaam en mobiel meetsysteem te kunnen realiseren worden de metingen uitgevoerd aan een relatief simpele doorstroom cuvet. Via een aantal vensters aan de zijkant van deze cuvet zullen de optische metingen uitgevoerd worden. In dit document wordt beschreven welke keuzes zijn gemaakt voor de realisatie van dit meetsysteem. Het mechanisch design is gemaakt in DesignSpark, De SenBox software in Python en de WebPortal in Visual Studio C#
Afbeelding 1. Overzicht van het eerste ontwerp met sensoren (DesignSpark).
Afbeelding 2. Doorstroomsysteem pre-final, groter volume, Glas, Minder kans op luchtbellen (DesignSpark).
Afbeelding 3. Inline systeem verbeterde BOD (DesignSpark).
Afbeelding 4. Inline meetsysteem op locatie.
In figuur 1 is het systeem schematisch weergegeven. In een centrale door-stroom-cel zijn een 8-tal sensoren aangebracht die een 8 tal basisparameters voor water meten. De aansluitingen voor water aan-, en afvoer zijn gebaseerd op 32 mm PVC buis. De centrale doorstroom buis is voorzien van een 6 ¼” wartels waarin de sensoren gestoken kunnen worden.
Figuur 1. Schematische weergave van het meetsysteem.
Aan de bovenzijde van het doorstroomsysteem bevinden zich de twee ingekochte elektrochemische sensoren te weten de geleidbaarheidssensor en de Oxidatie-
reductiepotentiaal of Redox sensor. De geleidbaarheid sensor geeft een indicatie van de ionen in het water, de Redox sensor geeft de balans weer tussen oxiderende componenten (concentratie en sterkte) zoals zuurstof, ozon, hypochloriet, waterstofperoxyde en
reducerende componenten (sulfiet, nitriet, metalen, CO etc.).
stoffen en het kiemgetal. De sensoren voor het bepalen van de pH, zuurstof en zuurstof gebruik zijn gebaseerd op de optochemische sensoren van Sendot. Ook de chlorofyl, UV fluorescentie, en de Turbiditeit zijn door Sendot zelf ontwikkeld en geproduceerd.
2.1.1 De Software
De software voor het uitlezen van de sensoren draait op de SenBox. Dit systeem is benaderbaar via een 4G modem zodat de data overal vandaan benaderbaar is (www.senbox11.nl). Het Dashboard scherm ziet er uit als weergegeven in figuur 2.
Figuur 2. Dashboard
Het dashboard toont de grafieken met de meetresultaten, de oranje balk aan de linker zijkant toont de menuopties. Figuur 3 toont de sensors welke op het systeem zijn aangesloten, in dit scherm kunnen eventueel de naam van de aangesloten sensoren aangepast worden.
Figuur 3. Het scherm met aangesloten sensoren.
Onder het kopje Account kan het profiel van de momenteel ingelogde gebruiker bekeken worden, dit is getoond in figuur 4.
Figuur 4. Accountgegevens van de ingelogde user.
Onder het kopje Dashboard geeft het item Users, de aangemelde gebruikers, (al dan niet online), dit is weergegeven in Figuur 5.
Figuur 5. Aangemelde users
Onder het kopje setting staan de aan te passen settings van het systeem. Dit is weergegeven in figuur 6.
Figuur 6. Systeem settings.
Linksboven kan het meetinterval ingesteld worden.
Rechtsboven kan de systeemtijd ingesteld worden.
Met de knop CH1 ON en CH1 OFF kunnen de kleppen waarmee het zuurstof verbruik gemeten wordt, bediend worden. Dit overruled dan de setting die door het programma bepaald worden. Channel 3 is nog niet in gebruik.
Met Timer 0 kan de tijd ingesteld worden tussen het openen van klep 1 (dicht bij doorstroomunit) en het openen van klep 2 (drain)
Met Timer 1 kan de tijd dat beide kleppen open staan ingesteld worden, dit bepaald de flush tijd.
Met Timer 2 kan de tijd ingesteld worden tussen het dichtzetten van klep 1 (dicht bij doorstroomunit) en het dichtzetten van klep 2 (drain).
Met Timer 3 kan de maximale meettijd van de zuurstofverbruiksmetingen worden ingesteld.
Het aantal samples bepaalt echter de totale meettijd, als het product van de meettijd en het aantal samples korter is dan zal de periode van timer 3 volgemaakt worden zonder
metingen. Als het product groter is dan zal er langer gemeten worden dan timer 3
De derde bepalende parameter voor de zuurstofverbruiksmeter is de grenswaarde, als binnen de meettijd de zuurstofwaarde tot onder de grenswaarde daalt dan zal meteen een nieuwe meting gestart worden.
De term BOD die hier gebruikt wordt wil niet zeggen dat dit een genormeerd BOD meting is.
Het zuurstof verbruik van het water zoals het bemonsterd wordt, wordt met het systeem wordt gemeten.
2.1.2 Resultaten losse sensoren
Het onderzoek naar de betrouwbaarheid van de sensoren wordt uitgevoerd aan de hand van een aantal algemeen aanvaarde methoden. Deze methoden zijn opgenomen in Tabel 1. De EC wordt bijvoorbeeld onderzocht met verschillende concentraties zouten en de turbiditeit met formazine. Het standaard water (Van Ruijven et al. 2016) is alleen binnen het onderzoek
“Validatie mobiele opstelling” gebruikt.
Tabel 1. Overzicht van metingen van het prototype, de bijbehorende verklaring en de manier waarop de meting binnen de testopstelling gevalideerd wordt.
Meting Betekenis Methode lab-validatie
Meetbox 1
Geleidbaarheid (EC) Zoutgehalte, bemesting
Standaard water met 4 concentraties EC
Redox potentiaal (ORP) Verhouding reducerende en oxiderende stoffen zoals
waterstofperoxide
Standaard water met 4 concentraties aan waterstofperoxide en/of
hypochloriet
pH Zuurgraad voor de teelt
Standaard water met 4 pH waarden Meetbox 2
Zuurstof Zuurstofgehalte voor
teelt Standaard water met 5
zuurstofconcentraties mass flow controllers. Afwijking sensor is 0,2 mg/L.
Turbiditeit Troebelheid als maat voor vervuiling nefelometrische troebelheidmeting is strooilichtmeting bij 860 nm (NTU)
Standaard water met 4 concentraties AEPA-1 (TURBSTNDRD 1LTR 1000NTU - AMCO AEPA-1 Primary Turbidity Standards, GFS Chemicals - Model 66115-156) of Formazine (Sigma TURB4000-500ML ) standaard Algen (CF) Chlorofyl
fluorescentie
Standaard water met toegevoegd verdunning bekende hoeveelheid algen (Chlorella vulgaris). Afwijking sensor is 0,1 µg/L.
UV fluorescentie (UV-F) Organische stof gehalte
Meting aan verschillende verdunningen Standaard water met organische stof Meetbox 3
Zuurstofverbruik (BOD) Indicator voor kiemgetal (kve/mL)
Standaard water met 4 concentraties BZV Seed Inoculum, Polyseed. (Hach 2918700)
* Standaard water = referentie water dat lijkt op water in opkweek (Van Ruijven et al. 2016).
Elke meting wordt in triplo uitgevoerd. De metingen hebben tot doel een indicatie van het betrouwbaar meetbereik te geven. De specificatie van de afzonderlijke sensoren worden als leidend gebruikt.
2.1.2.1 Geleidbaarheid Sensor:
Om de geleidbaarheid sensor te testen is de sensor blootgesteld aan oplossingen met verschillende concentraties natriumchloride. De resultaten zijn getoond in Figuur 7.
Figuur 7. Meetresultaten Geleidbaarheidssensor 2.1.2.2 ORP Sensor (Redox):
Om de Redox sensor te testen is de sensor blootgesteld aan oplossingen met verschillende concentraties Waterstofperoxide. De resultaten zijn getoond in Figuur 8.
Figuur 8: Meetresultaten Redoxsensor 2.1.2.3 Troebelheid sensor:
Om de Troebelheid sensor te testen is de sensor blootgesteld aan oplossingen met verschillende concentraties Formazine NTU standard (Sigma-Aldrich 500 NTU). De resultaten zijn getoond in Figuur 9. De achtergrond signalen zijn met een blanco meting verwijderd.
Figuur 9: Meetresultaten Troebelheid sensor 2.1.2.4 Chlorofyl-Fluorescentie sensor
Om de Chlorofyl-Fluorescentie sensor te testen is de sensor blootgesteld aan oplossingen met verschillende concentraties gesuspendeerde gedroogde Spirulina Algen (0-20 mg/l). In de algen zit ongeveer 10 mg/g chlorofyl. De resultaten zijn getoond in Figuur 10. De
achtergrond signalen zijn met een blanco meting verwijderd.
Figuur 10: Meetresultaten Chlorofyl Fluorescentie Sensor 2.1.2.5 pH sensor
Om de zuurgraad te testen is de sensor blootgesteld aan buffers met verschillende zuurgraad. De resultaten worden getoond in Figuur 11.
Figuur 11: Meet resultaten pH Sensor 2.1.2.6 O2 sensor
Om de zuurstof sensor te testen is de sensor blootgesteld aan verschillende percentages zuurstof. De concentraties zijn gemaakt met behulp van mass flow controllers om mengsels te maken van 0-100% met zuurstof en stikstof en tussen 0-21% met lucht en stikstof. De resultaten zijn getoond in Figuur 12.
Figuur 12: Meetresultaten O2 Sensor 2.1.2.7 UV fluorescentie sensor
Om de UV Fluorescentie sensor te testen is de sensor getoetst met verschillende concentraties humuszuur (Sigma-Aldrich). De resultaten zijn getoond in Figuur 13. De achtergrond signalen zijn van met een blanco meting verwijderd.
Figuur 13: Meetresultaten UV-Fluorescentie Sensor 2.1.2.8 O2 sensor voor zuurstofverbruik
Om de zuurstof sensor te testen is de sensor blootgesteld aan verschillende percentages O2. De resultaten zijn getoond in Figuur 14.
Figuur 14: Meetresultaten O2 Sensor
2.1.3 Conclusie en discussie
Alle Sensoren werken naar behoren.
De kruisgevoeligheid tussen sensoren (vooral CF en UV-Flu) zal in de volgende testfase verder worden onderzocht
De vertaling van “counts” naar concentraties (CF-Algen, UV-F organische stof, Troebelheid) zal vooralsnog in het softwareprogramma MS Excel gebeuren.
2.2 Validatie mobiele opstelling
De mobiele opstelling voor het testen van waterkwaliteit is uitgebreid gevalideerd op het laboratorium. Alle sensoren zijn getest zoals ze in de opstelling zijn ingebouwd, hieronder volgen voor alle sensoren de beschrijving en de resultaten van de validatie. Er werd standaard water gebruikt voor alle metingen volgens Van Ruijven et al. (2016).
2.2.1 Chlorofyl Fluorescentie Meter
De chlorofyl fluorescentie (CF) meter is getest door gebruik te maken van de alg
Aphanizomenon flos Aqua. Vanuit een groeiende cultuur van deze alg wordt telkens een klein volume toegevoegd aan 3 liter water. Deze oplossing van water en alg wordt door de meetopstelling gepompt, en zodoende kan er een relatie bepaald worden tussen de
concentratie algen en de gemeten chlorofyl fluorescentie. In onderstaande tabel 2 staan de gemeten waarden en de bijbehorende drooggewicht waardes van de alg in het gemeten water. In figuur 15 is het drooggewicht van de alg afgezet tegen de gemeten
fluorescentiewaarden.
Tabel 2. Resultaten van de chlorofylfluorescentie metingen met de alg Aphanizomenon flos Aqua.
Tijd alg (ml) op 3 liter Fluorescentie Drooggewicht algen mg/l
0 0 460 0
10 25 547 15
20 50 621 30
30 75 684 45
40 100 735 60
50 125 798 75
60 150 861 90
Figuur 15. Overzicht van gemeten fluorescentiewaarden bij drooggewicht (mg/L) van de aanwezige alg.
Uit deze resultaten blijkt dat bij afwezigheid van algen een waarde van 460 gemeten wordt, deze waarde is basislijn. Wanneer algen worden toegevoegd aan het water is een lineaire verhouding tussen de hoeveelheid algen die is toegevoegd en de gemeten
fluorescentiewaarden. De chlorofyl fluorescentie sensor is zeer gevoelig, zelfs bij een drooggewicht van 15mg/l wordt al een significante stijging in de gemeten waarde gezien, wanneer met het oog nog geen verkleuring veroorzaakt door de alg is waar te nemen wordt er al duidelijk een fluorescentiesignaal gemeten.
2.2.2 pH sensor
De pH sensor is niet uitvoerig gevalideerd omdat het een gevalideerd en commercieel verkrijgbaar product is. Tijdens de eerste validatieperiode bleek dat tijdens het reinigen van de opstelling de pH sensor gevoelig was voor de gebruikte reinigingsmiddelen waardoor onbetrouwbare meetwaardes ontstonden. Door het systeem aan te passen waarbij tijdens het reinigen de pH sensor verwijdert dient te worden is dit probleem opgelost.
2.2.3 EC sensor
De EC sensor is getoetst door demiwater door het systeem te pompen waaraan telkens een hogere concentratie natriumchloride aan wordt toegevoegd. Als controle is de EC handmatig gemeten met een EC meter (Hanna Instruments). In onderstaande tabel (3) en figuur (16) is duidelijk te zien dat de twee sensoren vergelijkbare waardes meten. Er is een duidelijk lineair
0,01 4,178 4,392
0,02 5,011 5,264
0,05 7,291 7,787
0,1 11,947 11,61
0,2 17,19 18,37
Figuur 16. Gemeten EC waardes uitgezet tegen de concentratie NaCl.
2.2.4 Troebelheid sensor
Om de mate van troebelheid te bepalen wordt een standaard middel, Formazine, gebruikt.
De mate van troebelheid wordt uitgedrukt in NTU. Uit de validatie blijkt dat gemeten waarden evenredig toenemen met de gebruikte concentratie formazine (tabel 4 en figuur 17).
Tabel 4. Gemeten waardes door turbiditeit sensor, berekende NTU waardes en gebruikte hoeveelheid formazine.
formazine 4000 NTU (ml) turbiditeit meting NTU
0 124 0
1 124 0,8
2 124 1,6
5 123 4
10 126 8
20 141 16
50 181 40
100 251 80
150 340 120
200 428 160
250 519 200
300 617 240
Figuur 17. Relatie gemeten waardes turbiditeit sensor en NTU.
2.2.5 Zuurstof sensoren
In de meetopstelling zijn twee aparte zuurstofsensoren gemonteerd. Een sensor (O2 sensor) zit in lijn met de andere sensoren, daarnaast is een tweede zuurstofsensor (BOD O2 sensor) geplaatst in een apart compartiment om het biologisch zuurstof verbruik te kunnen meten.
De sensoren zijn gevalideerd door telkens een kleine hoeveelheid exponentieel groeiende bacteriën toe te voegen aan 5 liter water die door het systeem werd gerecirculeerd. Ook werd er belucht indien nodig. Naarmate er meer bacteriën aanwezig zijn is de verwachting dat het zuurstofverbruik hoger zal zijn. Tijdens de eerste validatie periode bleek dat er veel verschil zat tussen de gemeten waardes van de twee sensoren, in figuur 18 zijn de waardes van de twee sensoren op verschillende testdagen tegen elkaar uitgezet en is duidelijk te zien dat de gemeten waardes niet overeenkomen. Tijdens een van de tests is ook met een losse zuurstofsensor(Sendot) gemeten, deze registreerde afwijkende waarden van de
geïntegreerde sensoren.
Figuur 18. De gemeten waardes van de O2 sensor en BOD v1 sensor tijdens vier validatie proeven.
Op basis van deze resultaten is besloten de kamer waarin de BOD sensor zit aan te passen om zodoende betrouwbaardere meetresultaten te krijgen. Vervolgens zijn er met deze BOD v2 opnieuw vier validatie proeven uitgevoerd (zie figuur 18). De eerste validatie werd
uitgevoerd door telkens een hoeveelheid bacteriën uit een exponentieel groeiende cultuur toe te voegen aan demiwater. Bij deze eerste test is goed te zien dat de zuurstof
concentraties lager worden naar mate het KvE (kiemgetal, een maat voor de hoeveelheid bacteriële koloniën die groeien op een agar medium) getal hoger wordt (tabel 5, figuur 19).
De BOD waarde nam echter niet significant toe.
Tabel 5. De waarden gemeten tijdens de eerste validatie.
sample tijd KvE*10^5 O% BOD O% BOD waarde x 10
0 12.00 2,9 21,1 18,3 0,067
1 13.00 6,9 19,1 18,2 2,9
2 14.00 14 18,2 17,8 1,25
3 15.00 9,3 16,7 16,6 1,57
4 16.00 12 15,3 14,5 2,15
Figuur 19. Gemeten waarde eerste validatie.
Onderstaande afbeeldingen zijn (L): BOD-v1 en (R): BOD v2. De BOD V1 meet in een volume van 1 ml in een niet transparant PVC blok met aansluitingen voor slangen en de O2
probe. In de praktijk bleek dit systeem heel gevoelig voor luchtbellen en vervuiling (je kan niet zien wat er binnen gebeurt). Daarom is gekozen voor een systeem met een glazen buis waarin onze coating "geplakt" zit dan kan je zien of er luchtbellen in zitten en of het systeem vervuild raakt.
Er is een nieuwe validatie gedaan, tijdens deze validatie gaven de twee zuurstof sensoren (resp. O2 en de BOD v2 O2 sensor) waardes aan die van elkaar verschilde. De O2 sensor gaf consequent een hogere waarde dan de BOD O2 sensor. Wel was er nu een duidelijke stijging van de BOD waarde te zien op het moment dat het KvE getal ook begon toe te nemen (x-as:
1 en 2). Op dit moment was ook duidelijk te zien dat de beide zuurstof sensoren een afname
Figuur 20. Waardes gemeten tijdens validatie.
Uit de validatie is gebleken dat het mogelijk is een voorzichtige relatie te leggen tussen zuurstofverbruik en kiemgetal. Het is echter nog niet gelukt om dit consequent te doen.
Mogelijk ontbreekt het, in het systeem, aan voldoende opneembare organische stoffen. Met verdere validatie, en aanpassingen aan het systeem is het mogelijk een betrouwbaar aerobe kiemgetal (KvE) getal te krijgen op basis van zuurstofmetingen.
2.2.6 Conclusies en discussie
De chlorofyl fluorescentie sensor is zeer gevoelig en de gemeten waarden correleren goed met de toevoegde hoeveelheid algen, zelfs bij een drooggewicht van 15mg/l wordt al een significante stijging gemeten.
Een fluorescent signaal van 861 staat voor 90 dw/L algen. In de grafiek kan de hoeveelheid algen worden afgelezen. De hoeveelheid chlorofyl dat gemeten wordt, varieert tussen algensoorten, daarom moet deze waarde als een schatting worden gebruikt.
De pH sensor is gevoelig voor de gebruikte reinigingsmiddelen waardoor
onbetrouwbare meetwaardes ontstonden. Door het systeem aan te passen waarbij tijdens het reinigen de pH sensor verwijdert dient te worden is dit probleem
verholpen.
De EC sensor werkt goed. Er is een duidelijk lineair verband gemeten tussen de EC waardes en de concentratie NaCl.
Om de Troebelheid van het water te bepalen wordt een standaard middel,
Formazine, gebruikt om de betrouwbaarheid van de meting te onderzoeken. De mate van troebelheid wordt uitgedrukt in NTU. Uit de validatie blijkt dat gemeten waarden evenredig toenemen met de gebruikte concentratie formazine. In de praktijk moet duidelijk worden hoe dit zich verhoud met de diverse organische stoffen in het systeem.
Tijdens de eerste validatie periode bleek dat er veel verschil zat tussen de gemeten waardes van de twee zuurstof sensoren (O2 sensor en de BOD O2 sensor) De BOD O2 v2 liet wel een afname van zuurstof zien bij een toename van aantal bacteriën,
bacteriën) opneembare organische stoffen of is de tijdsopname te kort om een betrouwbare waarde te genereren.
2.3.1 Materiaal & Methode
De mobiele opstelling is geplaats in een kamer bij het opkweek bedrijf. Elke woensdag, gedurende de periode 5 februari en 13 mei 2020 zijn verschillende watermonsters door de mobiele opstelling gepompt. Ook zijn monsters genomen, in de middag opgehaald, en deze werden meteen geanalyseerd door het GAC laboratorium. Water was afkomstig van schrob, opzet, haspel, OCD, bron, retour (vruchtgroenten en sier) etcetera. Een watermonster werd minstens 1 uur door de opstelling gepompt.
In totaal zijn er 41 waters geanalyseerd. Medewerkers van het opkweek bedrijf noteerde de waardes van de mobiele opstelling en het laboratorium analyseerde de monsters op pH, EC, hoofd-, en spore elementen (GAC code EDS), aeroob en anaeroob kiemgetal bacteriën en totale schimmels (code MXX), Fusarium spp. (code MUE), totale koolstof (code TOC, ETO), biologische zuurstofverbruik (code BZV) en chemisch zuurstofverbruik (code CZV), zie tabel 7.
Tabel 7. Overzicht van metingen van 41 verschillende water monsters door mobiele opstelling (Opkweek bedrijf) en door Groen Agro Control (GAC).
Mobiele opstelling Groen Agro Control (GAC)
Datum Datum
Tijdstip Tijdstip
pH pH
Redox (mV) EC (mS/cm)
EC (mS/cm) Hoofd-, en spore elementen
Temperatuur (T) Aëroob kiemgetal bacteriën
Troebelheid (OD) Anaëroob kiemgetal bacteriën
Zuurstof (O2) Schimmels
Chlorofyl fluorescentie / algen (CF) Fusarium spp.
BOD O2 v2 afname Total Organic Carbon (TOC)
UV-F organische stoffen Biologisch Zuurstof Verbruik Chemisch Zuurstof Verbruik
Meet de opstelling betrouwbaar in de praktijk?
Hiervoor is gekeken naar meetwaardes afkomstig van de mobiele opstelling en uit het laboratorium. De EC en pH waardes van de mobiele opstelling en het GAC laboratorium zijn hetzelfde (paarsgewijze t-test: EC t=3,21 df=30, P=0.003) (pH t=-2,68 df=21, P=0.014). De andere waarden zoals Redox, algen (CF) en troebelheid (OD) werden al getoetst in het laboratorium. Er zijn weinig tot geen algen in deze watermonsters aangetroffen (CF 400- 500). Pas bij waarden tegen de 700 zijn de algen in het water met het oog zichtbaar.
B. Kan de nieuwe BOD v2 inline meting gebruikt worden als maat voor kiemgetal?
Hiervoor is gezocht naar een correlatie tussen de waarden van BOD en aerobe kiemgetal bacteriën zoals gemeten door laboratorium.
De paarsgewijze test laat een relatie zien tussen beide parameters (BOD t=3,21, df=26, P=0.003), maar bij visuele inspectie is er geen correlatie (Figuur 21) omdat het wordt
Ook is er gekeken naar de invloed van de tijdsduur van de meting. Hiervoor zijn alleen de gegevens afkomstig van een BOD meting over 2 uur geselecteerd. De metingen met een kortere tijdsduur werden niet geselecteerd. Maar ook hier werd geen relatie gevonden tussen BOD en de hoeveelheid aanwezige bacteriën.
Figuur 21. Relatie tussen aerobe kiemgetal bacteriën (horizontale as) gemeten door het GAC laboratorium en de mobiele opstelling (BODafname, verticale as). Beide waarden zijn Ln- getransformeerd.
C. Kun je meer te weten komen over de waterkwaliteit door naar combinaties van meetwaarden te kijken?
Er is een middelmatige en negatieve relatie te zien in figuur 22 tussen Algen (CF) en Aerobe kiemgetal (KvE) (r=-0,57, P=0,01). Deze relatie is onverwacht. Een verklaring kan zijn dat biofilm in het systeem zowel algen als bacteriën bevat en er dus een relatie tussen beide ontstaat. Er was een lage hoeveelheid algen in het systeem, dus mogelijk wordt deze relatie daardoor beïnvloed.
Figuur 22. Relatie tussen aerobe kiemgetal zoals gemeten door GAC laboratorium en de mobiele opstelling (Algen CF). Beide waarden zijn Ln(2x+1) getransformeerd.
Figuur 23. Relatie tussen Fusarium gemeten door GAC laboratorium en troebelheid (NTU) door de mobiele opstelling. De waarden zijn Ln(2x+1) getransformeerd.
Figuur 24. Relatie tussen Fusarium en Aeroob kiemgetal gemeten door het GAC laboratorium. De waarden zijn Ln(2x+1) getransformeerd.
Ten slotte werd een zwakke relatie gezien tussen het Redox potentiaal en het aerobe kiemgetal zoals gemeten door het laboratorium (r=0,40, P=0,03). Die relatie is interessant omdat een bepaling van het kiemgetal veelvuldig plaats vindt in de praktijk en dit informatie geeft over de effectiviteit van een ontsmetting.
Figuur 25. Zwakke relatie tussen Redox en Aeroob kiemgetal (r=0,40, P=0,03)zoals gemeten door het laboratorium. De waarden zijn Ln(2x+1) getransformeerd.
Figuur 26. Zwakke relatie tussen Redox en Fusarium (r=0,52, P=0,13) gemeten door het laboratorium. De waarden zijn Ln(2x+1) getransformeerd.
Een extra analyse van de dataset laat zien dat het zuurstof niveau niet veranderde. Daarom lijkt de relatie tussen Fusarium spp . en redox (ORP) in figuur 26 te duiden op een andere afhankelijkheid van redoxpotentiaal.
Figuur 27. Relatie tussen Redox en Chemisch Zuurstof Verbruik (CZV) gemeten door GAC laboratorium. De waarden zijn Ln(2x+1) getransformeerd.
Figuur 28. Zwakke relatie tussen Redox en pH. De waarden zijn Ln(2x+1) getransformeerd.
(r=-0,43, P=0,05).
Figuur 29. Zwakke-, en negatieve relatie tussen Redox en HCO3 (r=-0,52, P=0,03). De waarden zijn Ln(2x+1) getransformeerd.
Figuur 30. Zwakke, en negatieve relatie tussen redox potentiaal (ORP) en zuurgraad (pH).
De waarden zijn niet getransformeerd (r=-0,44, P=0,05)
Figuur 31. Relaties tussen Redox potentiaal, zuurgraad en het aerobe kiemgetal. De waarden zijn LN(2x+1) getransformeerd en kiemgetal op log y-as.
2.3.2 Conclusie en discussie
De opstelling meet betrouwbaar in de praktijk, afgelezen aan de EC en de zuurgraad die zowel in de mobiele opstelling als in het laboratorium gemeten werden.
De nieuwe BOD v2 meter in de huidige vorm kan (nog) niet gebruikt worden als een schatting voor de hoeveelheid aerobe bacteriën (KvE) in het water. Dit wordt mogelijk veroorzaakt door een te laag gehalte aan organische stof dat snel opneembaar is voor bacteriën of een te korte tijd dat gebruikt wordt om de BOD te bepalen. De opstelling komt mogelijk beter tot zijn recht in een real-time opstelling waarbij continue water wordt gemonitord.
Redox is een redelijke schatter voor het Chemisch Zuurstof Verbruik en in mindere mate voor het aerobe kiemgetal en de aanwezigheid van Fusarium spp.
Mogelijk wordt deze relatie tussen het redox potentiaal en het aerobe kiemgetal aan bacteriën, Fusarium spp. en Chemisch Zuurstof Verbruik verklaard doordat het redox potentiaal ook omgekeerd gerelateerd is aan de zuurgraad.
Er is een verband tussen de troebelheid (NTU) en de hoeveelheid Fusarium spp.
Aantekening daarbij is dat in deze 42 watermonsters weinig troebelheid en algen aanwezig was. Onduidelijk is of genoemde relaties met de sensor voor algen en troebelheid van kracht blijven als er wel veel algen aanwezig zijn of als het water erg troebel is.
2.4.1 Bacteriën
De mobiele opstelling is in het laboratorium geplaatst. De opstelling is gespoeld met fertigatie mengsel voor de teelt van tomaat, hier is vervolgens 5 ml en later nogmaals 5 ml bacteriën toegevoegd tot een totaal van 10 ml bacteriën.
Met toenemende hoeveelheid bacteriën neemt het Chlorofyl UV signaal nauwelijks toe.
Toename is slechts 1 % wanneer de hoeveelheid bacteriën verdubbelt. UV-F verdubbelt wel wanneer de bacterie hoeveelheid verdubbeld. Troebelheid neemt af wanneer bacteriën toenemen.
Tabel 8. Overzicht van 4 sensoren
sensor 0 5ml bacteriën 10ml bacteriën
CF-Algen 415 419 423
UV-F (OS) 5 11 28
Troebelheid 239 202 143
BOD Niet
gemeten Niet gemeten Niet gemeten
Figuur 32. Overzicht van vier sensoren CF-Algen, UV-F (OS), Troebelheid met bacteriën (controle (0), 5 mL bacteriën b en 10 mL bacteriën).
2.4.2 Bacteriën en algen
Er is een fertigatie mengsel voor de teelt van tomaten gebruikt om de meetopstelling te spoelen. Hier is vervolgens 5 ml bacteriën aan toegevoegd. Dit werd verhoogd naar 50ml.
Tot slot is er nog 5 ml algen toegevoegd.
Met een zelfde hoeveelheid bacteriën als in het vorige experiment (5ml) wordt een zelfde CF waarde gemeten. Wanneer de hoeveelheid bacteriën 10x hoger is (50ml) stijgt CF slechts met 5% (22 punten) Wanneer hier 5ml algen aan worden toegevoegd (met een veel lagere
UV-F neemt sterk toe met de toename van bacteriën van 5 naar 50ml, de toevoeging van 5ml algen heeft geen effect op de UVF waarde.
Troebelheid neemt af naarmate er meer bacteriën toegevoegd worden (omgekeerde was verwacht)
Tabel 9. Overzicht van 4 sensoren
5ml bacteriën 50ml bacteriën 50ml bacteriën+ 5ml algen
CF-Algen 430 452 505
UV F (OS) 8 83 84
Troebelheid 54 15 14
BOD -0,3 -0,3 0,3
Figuur 33. Overzicht van vier sensoren CF-Algen, UV-F (OS), Troebelheid en BOD v2 metingen met bacteriën (controle (0), 50 mL bacteriën en 50 mL bacteriën en 5 mL algen).
De meetopstelling is vervolgens met drainwater van een paprikateelt gespoeld. Hier is vervolgens 25 ml bacteriën aan toegevoegd, daarna aangevuld met 5ml algen, en
vervolgens nogmaals 5ml algen. Hierna is het systeem leeggemaakt, schoon gemaakt en opnieuw gevuld met drainwater waaraan 50 ml bacteriën en 20 ml alg is toegevoegd.
In het gebruikte drainwater zitten vermoedelijk al verontreinigingen. Het drainwater zonder toevoegingen van algen of bacteriën geeft een CF waarde 560, toevoeging van 25 ml bacteriën zorgt voor een stijging van slechts 1,5% (8 punten). Toevoeging van 5ml algen geeft een stijging van 10% (62 punten). Verdubbeling van de hoeveelheid bacteriën en algen zorgt voor een stijging van 20% (180 punten). UV-F lijkt sterker te reageren op toevoeging van bacteriën dan op toevoeging van algen.
Tabel 10. Overzicht van 4 sensoren
0 25ml b 25ml b+5ml a
25ml b+10ml a
50ml b+20ml a
CF-Algen 560 568 630 680 860
UV F (OS) 18 40 45 50 80
Troebelheid 136 76 66 54 19
BOD -0,02 1 -0,22 0,2 -0,35
Figuur 34. Overzicht van vier sensoren CF-Algen, UV-F (OS), Troebelheid en BOD v2 metingen met bacteriën (controle (0), 25 mL bacteriën, 25 mL bacteriën en 5 mL algen, 25 mL bacteriën en 10 mL algen, 50 mL bacteriën en 20 mL algen).
2.4.3 Effect van bacteriën, algen en troebelheid
De meetopstelling is gespoeld met water uit een biologisch aquaponics systeem. Hier is vervolgens 10ml bacteriën aan toegevoegd, later aangevuld met 10ml algen. Dit water bevatte een hoge concentratie aan microbieel leven. Hierdoor nemen zowel UV-F als CF niet of nauwelijks toe wanneer er bacteriën of algen worden toegevoegd. Troebelheid neemt wel iets af naarmate er bacteriën of algen toegevoegd worden.
Tabel 11. Overzicht van 4 sensoren
0 10ml bacteriën 10ml bacteriën +10ml algen
CF-Algen 1050 1050 1030
UV F (OS) 623 640 593
Troebelheid 85 57 49
BOD 0,74 0,24 0,26
2.4.4 Conclusie en discussie
De algemene tendens is dat bacteriën vooral de UV Fluorescentie (Organische stof) beïnvloeden en dat algen, zoals beoogd, voornamelijk effect hebben op de Chlorofyl fluorescentie (CF Algen).
Het effect op de UV-F sensor is onverwacht. Verwacht was dat bij hogere
concentraties hier een hoger signaal gemeten zou worden. Het tegendeel blijkt echter te gebeuren. Troebelheid wordt gemeten door verstrooiing van licht, het kan zijn dat het signaal op een verkeerde manier verwerkt wordt en we hier kijken naar minder inkomend licht, doordat er meer biomassa is dat het licht verstrooid en er dus een omrekeningsfactor gebruikt moet worden.
De waardes gemeten met de BOD v2 sensor waren niet bruikbaar. Tijdens sommige tests nam de BOD waarde toe wanneer er meer biomassa werd toegevoegd, in andere gevallen nam de BOD dan af of bleef deze gelijk.
Tabel 12. Overzicht van de watermonsters waarin is gemeten.
Monsters
1 Vuil drainwater (nr 1 KWR)
2 Ontsmet drainwater (nr 3 KWR)
3 Ontsmet hemelwater (nr 4 KWR)
4 Hemelwater (nr 2 KWR)
Locatie A
0 5 10 15 20 25
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00
Jumo Temp
0 50 100 150 200 250
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00
Redox
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00
EC
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00
Turbidity
-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00
UV fluorescence
0 100 200 300 400 500 600
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00
Algen
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00
BOD O2
0 5 10 15 20 25
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00
BOD T
-1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00
Afname
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00
%O2 in line
0 5 10 15 20 25
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00 18:00:00
T in line
Locatie B
0 5 10 15 20 25 30
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00
Temp
120 125 130 135 140 145 150 155 160 165
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00
Redox
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00
EC
0 10 20 30 40 50 60
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00
Turbidity
-20 -10 0 10 20 30 40 50 60
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00
UV fluorescence
350 370 390 410 430 450 470 490 510
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00
Algae
0 5 10 15 20 25
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00
BOD O2
0 5 10 15 20 25 30
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00
BOD Temp
-3 -2 -1 0 1 2 3 4
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00
Afname
0 5 10 15 20 25
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00
%O2
0 5 10 15 20 25 30
09:36:00 10:48:00 12:00:00 13:12:00 14:24:00 15:36:00 16:48:00
Temp
Figuur 36. Overzicht van het verloop van de waterkwaliteit afgelezen met de sensoren in de mobiele opstelling op twee praktijklocaties A, B).
Tabel 13. Overzicht van de twee locaties met de waterkwaliteitswaarden.
Levo Pouwelslaan
Tijd Temp Redox EC Turb UV flu Algae BOD O2 BOD T Afname O2 T
Sample 1: 10:01 Vuil Drainwater (Nr 1 KWR) 22,5 150 1,13 -10 55 500 11 20 0,25 9 20
Sample 2: 11:45 Ontsmet Drainwater (Nr 3 KWR) 23 150 1,13 -5 48 480 6 21 0,11 6 20
Sample 3: 13:30 Ontsmet Hemelwater (Nr 4 KWR) 18 173 0,1 5 -10 420 15 18 0,03 14 15
Sample 4: 15:15 Hemelwater (Nr 2 KWR) 18 177 0,06 5 -10 420 16 17 0 16 15
Levo Herenwerf
Tijd Temp Redox EC Turb UV flu Algae BOD O2 BOD T Afname O2 T
Sample 1: 10:15 Vuil Drainwater (Nr 1 KWR) 24 145 1,15 50 50 470 12 25 0,42 13 23
Sample 2: 11:55 Ontsmet Drainwater (Nr 3 KWR) 24 145 0,87 45 38 435 9 25 0,073 11 22
Sample 3: 13:15 Ontsmet Hemelwater (Nr 4 KWR) 20 158 0,25 42 0 400 22 20 -0,43 20 18
Sample 4: 14:55 Hemelwater (Nr 2 KWR) 18 160 0,25 30 0 400 18 19 0,033 18 16
2.5.2 Conclusie en discussie
• Het grootste verschil tussen beide locaties is het zuurstof gehalte van de diverse monsters. De vuile drain en ontsmette drain van locatie A zijn laag en
waarschijnlijk in het bassin nog lager (monstername probleem).
• De zuurstofgehaltes van het Hemelwater is op locatie B goed.
• De UV fluorescentie van locatie B heeft een aanzienlijk lagere waarde (minder micro- organismen)
kiemgetal aan bacteriën. Het prototype werd ontworpen aan de hand van de technische specificaties van betreffende materialen en gemaakt met “simpele middelen” om de kostprijs laag te houden, d.i. bestaande PVC waterafvoer materialen. Vervolgens werd een tweede en verbeterde versie gemaakt.
Er werd getoetst of er geen interactie is tussen de sensoren. Er werd geen interferentie gezien tussen de signalen van de sensoren. De pomp en kleppen en sluitstukken voldeden.
In onderstaande Tabel 14 wordt een overzicht gegeven van sensoren en de geschiktheid voor het systeem.
Tabel 14. Overzicht van resultaten per sensor in de diverse toetsen.
Sensor Lab-toets Praktijk Lab-toets
interacties separaat in opstelling
pH + + + n.v.t.
EC + + + n.v.t.
UV-F (OS) + + weinig OS -
CF-Algen + + weinig algen +
Troebelheid + + weinig troebel -
O2 + + + n.v.t.
ORP (redox) + + Schatting van
CZV, kiemgetal, Fusarium, pH
n.v.t.
BOD v1/v2 n.v.t. - - -
Hieruit valt af te lezen dat de sensoren voor pH, EC. CF-Algen, O2 en ORP goed
functioneren. De sensoren voor Troebelheid, Organische stof (UV-F) en BOD voldoen nog niet. In de praktijk werd er weinig organische stof (OS), algen en troebelheid aangetroffen (zie tabel 14).
De BOD meting heeft waarschijnlijk langer nodig om een significante afname in O2 te detecteren. Het in evenwicht komen van samples duurt langer dan de veranderingen in afname van zuurstof door micro-organismen. Het systeem kan mogelijk verbeterd worden door injectie van een eenvoudig opneembare koolstof bron en eventueel zuurstof (indien er van beide weinig aanwezig is in de waterstroom).
De sensoren voor het meten van Redox, Zuurstof, Algen, UV fluorescentie en Zuurstof kunnen een goede indicatie geven van de waterkwaliteit.
De CF-Algen sensor viel op omdat deze zeer gevoelig bleek en de gemeten waarden correleren goed met de toevoegde hoeveelheid algen, zelfs bij een drooggewicht van 15 mg/L werd al een significante stijging gemeten. Een fluorescent signaal van 861 staat voor 90 droog-gewicht (dw) per L aan algen.
De sensoren voor het meten van Redox, Zuurstof, Algen, UV fluorescentie en Zuurstof kunnen een goed beeld geven van de waterkwaliteit.
Het CZV is gebaseerd op het feit dat bijna alle organische stoffen volledig geoxideerd worden tot CO2 met behulp van een sterke oxidator onder (de voor sterke oxidatoren noodzakelijke) zure omstandigheden. In tegenstelling tot het biologisch zuurstofverbruik (BZV) bepaalt het CZV de oxidatie van bijna de volledige hoeveelheid organisch materiaal tot
CZV als duidelijk voordeel dat de bepaling slechts 3 uur duurt tegenover 5-7 dagen voor het BZV. Het CZV wordt gemeten volgens de ISO 6060 richtlijn (bron: Wikipedia) met een chlorige gehalte onder 1000 mg/L.
3.2 Meerwaarde voor de teelt
Bij aanvang van het project was er de verwachting dat er gaande weg meer kennis
opgebouwd zou worden over de meerwaarde van een meetsysteem voor het bepalen van de waterkwaliteit. Het idee was dat een systeem meer informatie zou kunnen geven dan de sensoren afzonderlijk.
Door het inzetten van een praktijkproef werd hier meteen al binnen dit project een
meerwaarde gevonden. Bij gebruik in de praktijk kan er nog meer geleerd worden als praktijk ervaringen gecombineerd worden met (een combinatie van) de meetwaarden in de
opstelling.
Ondanks dat de BOD v1 en v2 sensoren geen betrouwbaar beeld opleverde over de hoeveelheid (aerobe) bacteriën in het systeem, gaf de ORP sensor (redox potentiaal) een onverwacht resultaat: er werd op de praktijk locatie een relatie gevonden tussen ORP en pH, CZV, aerobe kiemgetal van bacteriën en Fusarium spp. Opgemerkt dient te worden dat bijna alle watermonsters bijna geen troebelheid en algen bevatte. Dus het is onzeker of die
relaties overeind blijven als er meer algen en troebelheid aanwezig is.
In het algemeen wordt een ORP sensor gebruikt als indicator voor desinfectie of het zgn.
antimicrobieel potentiaal door het effect van toevoeging met een oxiderende werking o.a.
ozon, waterstofperoxide en chloor. Een ORP getal wordt in waterbehandeling of zwembaden gebruikt als maat voor de activiteit van een desinfectans (en niet voor de hoeveelheid per se). Bij een getal hoger dan 485 mV wordt microbiologie zoals E. coli, Salmonella, Listeria en thermotolerante coliforme binnen 300 seconden gedood. Bij een getal van 650-700 mV wordt microbiologie binnen 30 seconden afgedood (Suslow 2004). Uitzonderingen zijn
sporevormers zoals Cryptosporidium (humaan pathogeen contaminant in voedsel).
Aerobe processen zoals nitrificatie vinden plaats bij een ORP tussen 100-350 mV, en (anaerobe) denitrificatie tussen -50 en +50, sulfide (H2S), vorming van vrij-fosfor, fermentatie-50 en -250 mV en uiteindelijk methaan productie tussen -175 en -400 mV (Anoniem 2008). Er is dus een relatie tussen ORP en zuurstof: hoe hoger de ORP, des te meer (reactief) zuurstof in het water (oxidatie); bij negatieve ORP getallen zijn de
omstandigheden reducerend (en anaeroob). In dit onderzoek bleef het zuurstof min-of-meer gelijk.
Door meer informatie toe te voegen aan ORP getallen (i.c.m. zuurstof en pH) kan de tuinbouw sector leren en de ORP een nieuwe plaats geven binnen het bestaande meetinstrumentarium.
Al eerder werd er een relatie gezien tussen aerobe kiemgetal aan bacteriën en Fusarium spp. (Korteland et al. 2019) Deze relatie moet voorzichtig geïnterpreteerd worden: De hoeveelheid bacteriën an sich is niet per definitie slecht voor de teelt. Maar indien er Fusarium spp. aanwezig is, dan is een bepaling van de hoeveelheid bacteriën met behulp van een aerobe kiemgetal een goede indicator voor de hoeveelheid Fusarium spp. in het systeem. Omgekeerd is dan het aerobe kiemgetal van bacteriën een goede maat voor het bepalen van de effectiviteit van (UV/oxidatie) ontsmetting en andere waterbehandelingen.
Ook werd een relatie gevonden tussen de aanwezigheid van Fusarium spp. en troebelheid.
Voor de volledigheid moet hier genoemd worden dat onder de noemer Fusarium spp. alle soorten vallen met de genus naam Fusarium. Dit kan dus ook niet-pathogene soorten betreffen. Maar in onze ervaring komen niet-schadelijke soorten binnen een niet-grond gebonden tuinbouwsysteem niet heel vaak voor. Vandaar dat aangenomen kan worden dat het hier gaat om schadelijke soorten zoals F. solani, F. oxysporum f.sp. Lycopersici, F.
proliferatum e.a.
Een relatie met pH kan verklaard doordat beide een karakterisering geven van het water op basis van geleidbaarheid: pH wordt bepaald door de hoeveelheid H+ en OH- ionen en het redox potentiaal door de elektronen overdracht tussen moleculen en een electrode. In het
van belang voor de voeding van planten maar niet van belang voor de waterkwaliteit.
Troebelheid was, in deze studie inclusief beide praktijklocaties, niet erg hoog, namelijk tot 60 NTU en dus voor het oog “helder” water. Toch werd een relatie gezien tussen de mate van troebelheid en de hoeveelheid Fusarium spp, in het water. Dus ook hier is duidelijk
meerwaarde voor het gebruik van een sensor omdat de verschillen met het oog niet waarneembaar zijn en er belangrijke informatie uit voort komt.
Het zuurstof van 4% komt overeen met 2 mg/L en 8 met 18% zuurstof. Het is duidelijk dat er zuurstof in het systeem aanwezig moet zijn om te voorkomen dat anaerobe processen plaats vinden en er schadelijke stoffen worden geproduceerd. Ook grijpen soorten zoals pathogene Pythium soorten in het algemeen hun kans, omdat ze beter bestand zijn dan hun bacteriële concurrenten en antagonisten in de wortelomgeving om te functioneren onder anaerobe omstandigheden en de schade aan de plant door aantasting met Pythium onder stressvolle omstandigheden sneller verlopen (Suton et al. 2006).
BOD afname: 0,1 mg/L/hr is zuurstof verbruik zou overeen kunnen komen met een kiemgetal 104, en 1 mg/L/hr met een aerobe kiemgetal van 107. Dit laatste is hoog, omdat in een
tijdsbestek van 8 uur alle zuurstof wordt verbruikt.
Tot slot kan een meter worden ontworpen voor de algemene waterkwaliteit, waarbij alle afzonderlijke waarden samen worden gebracht in een overzichtswaarde.
Figuur 37. Overzicht van het beoogd dashboard met zes integrale parameters voor waterkwaliteit, namelijk redox (ORP), algen, bacteriën, zuurstof, biologische zuurstof consumptie (BOD) en waterkwaliteit op basis van een integratie van de sensoren.
3.4 Praktijk ervaringen
Er zijn aanvullende tests van het systeem uitgevoerd in een situatie waarvoor het instrument oorspronkelijk ontworpen was, namelijk in-proces meten i.p.v. het doormeten van samples.
storing en onderhoud heeft gefunctioneerd. Een dashboard van een recente meetweek is gegeven in Figuur 38.
Figuur 38. Overzicht van resultaten van recente meetperiode van meetsysteem
Ook de metingen van de BOD geven hier een duidelijker beeld dan in de meetsessies met samples. Deze zijn weergegeven in figuur 39.
Figuur 39. Bod metingen van een in-proces toepassing va het meetsysteem (zuurstof niveau’s links en afname berekeningen
rechts
Hier is duidelijk een afname in zuurstof te zien gedurende de meetperiode. Wat ook duidelijk is, is dat de berekende afname pas moet starten nadat evenwicht bereikt is, de initiële toename van zuurstof door het toelaten van een vers sample moet buiten beschouwing worden gelaten.
3.5 Aanbevelingen
Binnen dit project is gekeken naar de mogelijkheid om snel en eenvoudig een mobiele opstelling te maken voor het real-time monitoren van de waterkwaliteit voor de opkweek en teelt van gewassen binnen de glastuinbouw. Ondanks dat er complexe relaties zichtbaar gemaakt zijn, blijft er nog veel te ontdekken.
De relaties zijn niet altijd te verzinnen vanuit het onderzoek. De praktijk zal het verder op moeten pakken om gaandeweg meer inhoud te geven aan de parameters. Een voorbeeld is dat troebel water meer kans lijkt te geven op een slechte weggroei van planten of dat de aanwezigheid van ziekten of plagen in het systeem steeds samen vallen met een lage of negatieve ORP waarde.
Omdat de waarde van water in de toekomst toe zal nemen, is het waard te investeren in meer kennis over watersystemen op het tuinbouw bedrijf. De mobiliteit van het systeem draagt bij aan de toegevoegde waarde, omdat de kwaliteit van het water op het bedrijf enorm kan verschillen: van bassin en hemelwater en voedingsbakken tot teelthoeken en drain en de
o.a. pH en zuurstof, meer aandacht te geven als belangrijke meting voor de opkweek en teelt van gewassen in de glastuinbouw.
4 Dankwoord
Hierbij willen we KWR waterinstituut, Groen Agro Control, Plantum Werkgroep Glasgroente Gewasbescherming & Milieu, Brabant Plant en Levo Plant, Joost van Buul, Arno van den Bogert, Erwin van Vliet bedanken voor de hulp met de monsternames en het ter beschikking stellen van de locatie. Margreet Schoenmakers voor ondersteuning vanuit Glastuinbouw Nederland. Dit project werd uitgevoerd in samenwerking met KWR Waterinstituut (Nieuwegein) en werd mogelijk gemaakt door financiële ondersteuning van de glastuinbouw sector Stichting Kennis in je Kas en vanuit de Topsectoren T&U, Watertechnologie en STOWA
Salvador Ramírez-Flandes, Bernardo González, and Osvaldo Ullo (2019) Redox traits characterize the organization of global microbial communities. PNAS 116 (9) 3630- 3635.
Suslow, T.V. (2004) Oxidation-Reduction Potential (ORP) for Water Disinfection Monitoring, Control, and Documentation, ANR publication 8149,
https://doi.org/10.3733/ucanr.8149.
Sutton, John Clifford, Sopher, Coralie Rachelle, Owen-Going, Tony Nathaniel, Liu,
Weizhong, Grodzinski, Bernard, Hall, John Christopher, & Benchimol, Ruth Linda.
(2006). Etiology and epidemiology of Pythium root rot in hydroponic crops: current knowledge and perspectives. Summa Phytopathologica, 32(4), 307-321.
https://doi.org/10.1590/S0100-54052006000400001
van Ruijven, J., Blok, C., Beerling, E. A. M., & van Os, E. A. (2016). 'Standaard Water’ voor toetsing zuiveringstechnologie voor de glastuinbouw. Wageningen UR.
https://edepot.wur.nl/383897
